波浪中船舶六自由度“操纵—摇荡”耦合运动数值仿真

摘要

本文对船舶在波浪中六自由度“操纵-摇荡”耦合运动进行了研究,基于船舶运动数学模型编写计算程序,对船舶在波浪中的运动进行数值仿真计算,并研究了波浪对船舶机动航行的影响。
　　 笔者在随船平动坐标系下建立了船舶六自由度运动数学模型。基于MMG船舶运动建模观点,将作用于船体的外力分成惯性力、粘性力、螺旋桨推力、舵力和波浪力等几部分单独考虑。其中,与摇荡运动相关的水动力采用切片法计算,波浪入射力采用三维方法计算,同时估算了二阶波浪力。
　　 为了验证本文数学模型的正确性,分别对船舶在规则波、不规则波中的定速直航以及静水中的定常回转、Z型操舵运动进行了仿真计算。将仿真计算的结果和船模试验结果对比后,证实本文的数学模型对船舶在波浪中定速直航和静水中的机动航行的仿真计算结果都真实可信,可以用于船舶在波浪中“操纵-摇荡”耦合运动仿真计算。
　　 在进行了大量仿真计算的基础上,笔者发现了船舶在波浪中回转的三种典型航行轨迹,并针对运动轨迹的特点提出了用瞬时回转圆心和瞬时回转半径两个量来分析船舶运动轨迹的漂移程度和稳定性。研究了波浪力中不同成份对船舶运动的影响,重点对船舶在不同波高、波长和浪向的规则波中的回转运动进行了计算分析,还对船舶在不规则波中的回转运动进行了仿真计算。根据分析的结果,提出了对指导船舶在波浪中机动航行具有参考意义的结论,具有一定的工程参考价值。同时发现本文数学模型的不足,为后续理论研究也提出了一些改进建议。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 本文的目的和意义

1.2 国内外相关研究综述

1.2.1 船舶操纵性研究

1.2.2 波浪中船舶操纵性研究

1.3 本文的主要研究工作

第2章 船舶运动数学模型

2.1 坐标系

2.1.1 空间固定坐标系o0-x0y0z0

2.1.2 运动坐标系o1-x1y1z1

2.1.3 随船平动坐标系o-xyz

2.1.4 坐标系的选择

2.2 六自由度运动数学模型

2.2.1 运动方程

2.2.2 船舶所受的外力和力矩

2.3 操纵性相关水动力及力矩模型

2.3.1 操纵性相关惯性类水动力及力矩模型

2.3.2 操纵性相关粘性类水动力及力矩模型

2.4 耐波性相关水动力及力矩模型

2.4.1 横摇水动力及力矩模型

2.4.2 升沉纵摇水动力及力矩模型

2.5 波浪力数学模型

2.5.1 规则波波浪力计算模型

2.5.2 不规则波波浪力计算模型

2.6 螺旋桨推力模型

2.7 舵力模型

2.8 本章小结

第3章 数学模型波浪中直航验证

3.1 波浪入射力计算

3.1.1 船体网格划分

3.1.2 入射波力比较

3.2 规则波中船舶直航运动仿真

3.2.1 规则波中船舶商航运动理论计算

3.2.2 规则波中船舶直航运动试验测试

3.3 不规则波中船舶直航运动仿真

3.4 本章小结

第4章 数学模型静水中操纵航行验证

4.1 静水中船舶定常回转运动仿真

4.1.1 回转直径预报

4.1.2 回转横倾角预报

4.2 静水中船舶Z型操舵仿真

4.2.1 Z型操舵轨迹预报

4.2.2 K、T指数计算

4.3 本章小结

第5章 波浪中船舶六自由度运动仿真

5.1 波浪中船舶操纵与摇荡运动研究概述

5.1.1 波浪对船舶轨迹的影响

5.1.2 波浪对船舶摇荡的影响

5.2 规则波中船船回转运动研究

5.2.1 波高对船舶回转运动的影响

5.2.2 浪向对船舶回转运动的影响

5.2.3 波长对船舶回转运动的影响

5.3 不规则波中船舶运动仿真

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢